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1、试验研究 利用ADSP2105的超声探伤系统 罗飞路 李 勇 沈国际 (国防科技大学,长沙 410073) 摘 要 介绍一种将ADSP2105和高速A?D引入超声探伤的方法,实现缺陷的定量计算和定 性判别,提高了超声探伤的重复性与可靠性。 主题词 超声探伤 数据处理 缺陷识别 实时处理 AN ULTRASONIC TESTING SYSTEM USING ADSP2105 Luo Feilu L iYong Shen Guoji (N ationalU niversity of Defense Technology) Abstract A n ultrasonic testing system
2、 based on ADSP2105 and high2speed A?D is described, by which quantitative evaluation and identification of flaw s have been realized, and the repetitiveness and reliability of ultrasonic testing have been i mproved. Keywords U ltrasonic testing Data processing Flaw identification Real2ti me processi
3、ng 超声检测(U T)是五大常规无损检测技术之一, 由于具有被测对象范围广、 检测深度大、 缺陷定位准 确及成本低等诸多优点,已成为国内外应用最广泛、 使用频度最高且发展较快的一种无损检测技术1。 在U T这一技术领域中,信号处理已不再是辅助手 段,而是一种基础技术2,直接影响到检测结果的重 复性与可靠性。 本文介绍一种利用ADSP2105(以下 简称2105)组成的U T系统,利用2105的高速数字 信号处理能力,实现了U T信号的高速数据采集与 实时信号处理,提高了U T的可靠性与重复性。 1 ADSP2105的主要特点 2105是美国A nalog Device公司制造的第二代 通用数
4、字信号处理器(DSP)。它实现了Harvard结 构,利用两个相互独立的数据存储总线和程序存储 总线,在每个时钟周期内实现片内操作指令,并同时 获取两个操作数,以达到高速运行指令。在指令方 面, 2105的指令周期为100ns,具有单周期的乘法? 累加指令,以及很强的信号处理专用指令(如FFT 需要的倒位序寻址)和灵活的程序控制指令。 在系统 资源方面, 2105片内具有51216位的数据存储器 和1 02424位的程序存储器,满足一般处理系统 的需要,同时提供存储器控制功能。 2 超声检测系统硬件构成 2. 1 工作原理 超声检测系统原理图如图1所示。在同步电路 的控制下,发射电路激励超声换
5、能器发射超声波,超 声波在被测试样内部遇到缺陷产生回波信号,经调 整放大后进入A?D采样电路,转换为数字信号后送 入2105,通过数字信号处理完成缺陷的识别与分 类。检测结果经主机接口输入微机实现波形和频谱 的显示或进行进一步的分析与处理。 2. 2 主要功能模块设计 2. 2. 1 高速数据采集 由于U T的激励频率很高,缺陷信息也处于高 频段,为尽可能实现信号实时采样,并保证足够高的 采样精度,我们采用了采样频率为40M Hz的10位 A?D转换器件AD 9040。 处理前采样数据先存入 图1 智能超声检测系统 32 第22卷第1期 2 0 0 0年1月 无损检测 NDT Vol . 22
6、 No. 1 Jan. 2 0 0 0 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 F IFO(先进先出)中,再由2105顺序取出进行处理, 处理完毕清空F IFO,再开始第二次检测。 2. 2. 2 主机接口 为了增强该系统的功能,我们设计了检测系统 与微机间的主机接口电路,以便将采样数据和处理 结果输入微机作进一步的分析和处理,并借助微机 实现采样波形和处理结果的显示和存储。主机接口 主要由双口RAM构成, 2105根据微机的输入命 令,将采样数据
7、和处理结果存入双口RAM供微机 读取。由于双口RAM具有两组相互独立的数据线 和地址线,微机读数据和2105写数据可以同时进 行,大大提高了2105与微机间的通讯速度。 3 超声信号的数据处理与缺陷识别 3. 1 数字滤波 超声回波信号一般信噪比很低,而高频模拟滤 波器难以实现滤波功能。在研究过程中,我们利用 2105的高速数字处理能力,选择Hanning低通滤波 器3,对采样数据进行数字滤波,除去超声回波信号 中的噪声和高频干扰,提高了采样数据的信噪比。 3. 2 缺陷识别 由于超声发射信号的频率已知,而超声回波信 号的频率分布随缺陷的位置、 大小和种类的变化而 变化,这一变化信息正是缺陷识
8、别的依据。 超声检测缺陷回波信号的持续时间有限,如果 直接对检测信号计算频谱,速度较慢,缺陷回波信号 很可能被湮没。我们采用最大熵法(M aximum EntropyM ethod,以下简称M EM) 3来推定信号的 频谱。M EM方法又被称为最大平均信息量分析法, 它把平均信息量的概念引入频谱分析,利用时间序 列理论,先对已知数据进行时间序列建模,然后根据 模型对已知序列按最大熵进行外推,从而能在极短 的时间内高分辨力地推定信号的频谱。用M EM法 作出的频谱图,谱线较单一,容易自动区分,与FFT 分析结果相比,在频谱泄漏方面有了很大改善,更利 于频谱的自动识别。 经过频谱细化,有缺陷和无缺
9、陷的情况在波形、 峰值中心频率上都有了明显区分。 4 系统软件 系 统 软 件 由2105汇 编 语 言 编 制,固 化 在 EPROM中,开机后由2105自动装入片内程序存储 器。 系统软件总体流程如图2所示,各程序模块简介 如下: (1)初始化程序 初始化2105各内部寄存器, 图2 系统软件总体框图 清空系统数据存储器。 (2)通讯程序 将采样数据和处理结果传送给 PC,以便进一步处理和分析。 (3)采集程序 实现采样控制并将采样数据读 入2105片内数据存储器。 (4)数据处理 先对采样数据进行数字滤波, 然后进行M EM分析,得出缺陷判断结果。 5 实验结果 该系统设计制作完成后,采
10、用5P10直探头(频 率2. 5M Hz)来发射和接收超声纵波信号,利用脉冲 回波方式完成人工缺陷的定性分析与定量测量。 所用试块为半圆形,直径为33. 3mm ,厚度为 20mm ,在其侧面不同位置打有 1mm5mm的盲 孔,如图3所示。 图3 试块示意图 5. 1 缺陷深度测量 将探头置于被测试块上,正对着某一缺陷滑动, 当缺陷信号幅度最大时,由接收到的表面回波和缺 陷回波之间的时间间隔可得出缺陷深度。实验得到 的各缺陷深度的一次性测量数据如附表所示。 可见, 附表 测量结果 缺陷 序号 实际深度 mm 实测深度 mm 缺陷 序号 实际深度 mm 实测深度 mm 11515. 174252
11、5. 71 21010. 5152019. 26 31312. 83 (下转第32页) 42 罗飞路等:利用ADSP2105的超声探伤系统 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 图14 金属铍的曝光曲线 面尺寸50mm50mm。 (3)采用单壁透照(即X射线源在外,胶片在 内,象质计应置于受检区的端部)。 (4)对于小直径铍材,采用双壁双投影时,象质 计位置应为受检区影象承受最大几何畸变和放大的 部位。 (5)对于铍半球壳体透照,其内壁每隔90
12、应放 一个象质计。 (6)当受检区底片的黑度变化超过象质计所处 黑度的+ 30%或- 15%时,应适当增加象质计的数 目,以指明受检区整个厚度范围的灵敏度等级。 6 曝光曲线和灵敏度 曝光曲线取决于待检铍材厚度、 胶片、 增感屏类 型、 焦点和曝光时间(图 14) 。 若无特殊要求 , X 射线照相的灵敏度应优于 2%。 收稿日期: 1998206212 (上接第24页) 测量误差主要为随机误差,由测量人员和其它测量 因素引起。实验证明这种数据处理方法是合理的。 5. 2 频谱分析 无缺陷底波信号的时域波形及M EM谱如图4 图4 无缺陷底波信号时域及M EM谱 (a)无缺陷底波信号 (b)无
13、缺陷底波信号M EM谱 图5 缺陷信号时域及M EM谱 (a)缺陷回波原始信号 (b)缺陷回波信号M EM谱 所示,M EM谱中信号频谱由峰值中心频率向两边 展开较宽;缺陷回波信号的时域波形及M EM谱如 图5所示,M EM谱中信号频率较单一,频谱展开 窄,与无缺陷底波信号相比,峰值中心频率偏低,容 易用计算机进行自动判别。由于缺陷回波的频谱与 缺陷的种类、 性质和特征等有关,我们可以对不同的 缺陷试块进行大量试验,将试验结果做成数据库,作 为计算机进行自动判别的依据。这样就提高了缺陷 定性识别的可靠性和客观性。 6 结束语 本文介绍的方法成本较低,容易实现。 由于采用 大规模集成电路,体积较
14、小,为设计智能化、 数字化 的便携式超声探伤仪提供了一种思路。 随着DSP器 件的发展和数字信号处理方法的改进,DSP在超声 检测领域的应用必将会越趋广泛,希望本文能对这 方面的研究有所帮助,促进超声检测技术的发展。 参考文献 1 沈建中,黎连修.超声无损检测的进展.无损检测, 1998, 20(2): 31 2 谈文心,张新春.便携式智能超声无损检测系统的研究. 无损检测, 1997, 19(7): 181- 185 3 沈兰荪.数据采集与处理.北京:能源出版社, 1987. 收稿日期: 1998205218 23 张文华等:铍材和铍粉的X射线照相法 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载